Nuclear Waste Transmutation

Grazie agli acceleratori di particelle, e ai neutroni da essi prodotti, oggi è possibile trasformare le scorie nucleari in rifiuti meno radioattivi, ovvero trasformare un elemento chimico in un altro, anche se l’antico sogno degli alchimisti (di trasformare i metalli in oro) purtroppo non è praticabile! Il processo fisico alla base di questa trasmutazione di elementi è quello della spallazione (frantumazione di nuclei pesanti colpiti da protoni o neutroni). Come spesso accade, è una delle possibili applicazioni di ricerche che scaturiscono invece dalla sete di conoscenza degli scienziati, volti a indagare le proprietà dei materiali e dei composti chimici.

Oltre a dare la possibilità di capire la struttura della materia in sorgenti di neutroni quali ESS, il processo di spallazione può essere infatti sfruttato anche per applicazioni nel campo dell’energia nucleare, settore essenziale per l’economia mondiale.

Nella moderna rivisitazione del vecchio sogno degli alchimisti di trasmutare gli elementi questa volta però non si tratta di trasformarli nel nobile metallo, ma di cercare di risolvere il problema dello stoccaggio geologico delle scorie nucleari, attive per milioni di anni, senza contaminare la biosfera. Se si bombarda, infatti, un elemento con un fascio di neutroni, si può produrre un cambiamento all’interno del nucleo atomico tale da farlo “trasformare” in un altro elemento (la trasmutazione). Un elevato flusso di neutroni è quindi in grado di “trasmutare” le scorie a lunga vita media prodotte dai reattori convenzionali in materiali ancora radioattivi, ma con vita media assai più breve. Inoltre, queste scorie possono essere riciclate, ossia utilizzate come combustibile in speciali reattori nucleari a fissione, gli Accelerator Driven Systems (ADS).

A differenza dei reattori convenzionali, in un ADS la reazione a catena, che produce l’energia nucleare, non procede autonomamente, ma necessita della sorgente neutronica esterna fornita da un potente acceleratore superconduttivo tramite spallazione. La sicurezza deriva dunque dal fatto che, se la sorgente neutronica viene interrotta, la reazione nucleare non è in grado di proseguire autonomamente e il reattore si arresta immediatamente.

L’industria nucleare e i paesi europei, in programmi finanziati da Euratom (quali MAX) e con la significativa presenza dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare conducono studi di fattibilità di tali progetti (ad esempio MYRRHA in Belgio), anche con la costruzione di prototipi, per sviluppare una nuova modalità di produzione di energia nucleare, affidabile e rispettosa dell’ambiente. Questo consentirebbe di non delegare alle generazioni future la problematica di convivere con scorie potenzialmente nocive per milioni di anni.

Il LASA è impegnato nella realizzazione di prototipi di cavità superconduttive per acceleratori di protoni per ADS a partire dalla seconda metà degli anni 90 e ha partecipato alla messa in opera di significativi test dimostrativi della tecnologia durante progetti Euratom.

La chiusura del ciclo con gli ADS

Le scorie nucleari, provenienti da reattori convenzionali, inizialmente subiscono un processo di separazione chimica: dalle barre esauste di combustibile viene recuperato l’uranio (che verrà riutilizzato per produrre nuovo combustibile nei reattori convenzionali) e vengono separati i prodotti di fissione (che, direttamente o dopo una fase di “raffreddamento”, vanno nel deposito geologico sotterraneo in contenitori sigillati) dagli elementi transuranici. Questi ultimi vengono ulteriormente trattati e trasferiti nel cuore dell’ADS, dove verranno utilizzati come combustibile e trasmutati mediante fissione. I prodotti in uscita dall’ADS vengono parzialmente riciclati. Ciò che resta viene sigillato in speciali contenitori che, direttamente o dopo una fase di raffreddamento in superficie, vengono depositati nel sottosuolo. L’acceleratore lineare superconduttivo, che per spallazione produce i neutroni necessari alla fissione degli elementi in questo reattore intrinsecamente più “sicuro”, viene alimentato da una porzione dell’energia elettrica prodotta dal sistema stesso, e il resto dell’energia va sulla rete elettrica generale.

 

Myrrha Website &nbsp&nbspMyrrha Accelerator eXperiment Website

Fotocatodi per RF Gun

Il LASA è coinvolto sin dagli anni ’90 nello studio e nella crescita di materiali fotoemissivi (antimoniuri e tellururi di metalli alcalini) da utilizzarsi come sorgenti di elettroni ad alta brillanza in cannoni a radiofrequenza (RF) e nella progettazione e realizzazione di sistemi in estremo ultra alto vuoto per la loro produzione, manipolazione e trasporto. Questi materiali, illuminati da laser sincronizzati con la RF dell’acceleratore, emettono elettroni sfruttando l’effetto fotoelettrico. Il LASA ha sviluppato un’intensa attività di ricerca per lo studio del comportamento di questi materiali e delle proprietà degli elettroni emessi. I risultati di queste attività hanno permesso l’ottimizzazione dei processi di crescita dei fotocatodi permettendone l’utilizzo nelle moderne macchine acceleranti per la produzione di fasci brillanti di elettroni.

I fotocatodi cresciuti al LASA vengono utilizzati nelle macchine acceleranti:
FLASH e PITZ a DESY, APEX a Berkeley, FAST a Fermilab.

I fotocatodi in tellururo di cesio (Cs₂Te) prodotti al LASA rappresentano lo stato dell’arte in questo campo. Fin ad oggi sono stati cresciuti 140 fotocatodi e la loro vita media operativa nei cannoni RF è attualmente superiore a 180 giorni (in acceleratori sottoposti a un operazione "continua", 24h/7g).

Fotocatodo

Vista del fotocatodo all'interno del sistema di crescita sviluppato al LASA.

 

Photocathodes Website